Cの開発と実験検証

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22222 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

本研究は、自作のCアームカメラ撮影ロケータを開発し、その精度と利点を検証することを目的としました。中国浙江省三門人民病院外科系の医師と看護師計60名が撮影オペレーターとして無作為に選ばれた。円板の中心の測定には、自作のロケータ付きCアーム機とロケータなしのCアーム機を使用しました。射撃には鉄釘が使用されました。鉄釘と展示上の円形表示領域の中心点との距離を撮影偏差とした。３ｃｍ以下になったところで撮影を終了した。ロケーターありとなしのCアームカメラ撮影群のショット数、総撮影時間、ファーストショット偏差を統計的に分析し、両者の長所と短所を比較した。ロケーターを使用した C アームカメラの平均ショット数、平均総撮影時間、平均ファーストショット偏差は、ロケーターを使用しないグループよりも有意に優れており、その差は統計的に有意でした。撮影距離 (X) が 30 cm、撮影角度 (Y) が 0° のとき、平均撮影枚数、平均総撮影時間、平均初撮り偏差が最適になりました。 C アームカメラ撮影ロケーターは、C アームカメラの撮影精度を向上させ、ショット数と総撮影時間を効果的に削減できます。したがって、臨床および外科の実践に適用できます。

C アーム X 線装置（図 1 に示すように、C アーム装置、型式: Siemens PLX7000 と呼ばれます）は、光、機械、画像処理技術 1 を統合した移動式 X 線装置です。手術におけるリアルタイムのダイナミックイメージングに。整形外科の臨床現場でよく使われる手術補助具です。主な用途としては、整形外科手術における骨折の整復と固定の補助、ペースメーカーの埋め込みの補助、体内からの異物の摘出の補助、血管造影やインターベンション手術の一部の補助、痛みを治療するためのオゾン装置との連携、小規模医療機器の連携などがあります。ニードルナイフ治療、婦人科卵管誘導手術補助など2,3,4,5,6。感染リスクが低く、設置面積が小さく、移動が簡単であるという利点があります。整形外科、一般外科、婦人科などで幅広く使用されています。高画質な画像を得るには、Cアーム装置のイメージインテンシファイアの中心点とX線放射器の中心点を結ぶ線が被写体の中心点を正確に通過するように調整する必要があります。事前調整を実現します7。しかし、現在の臨床用 C アーム装置には基本的にプリアライメント機能が搭載されておらず、満足のいく画像を得るには複数の調整と繰り返しの撮影が必要です 1,7,8,9,10,11,12,13,20,21,22、 26、28。

C アームマシン、モデル: Siemens PLX7000。

以前の研究では、射撃手順の 80% で C アームマシンの位置変更が必要であることが示されています 11。電離放射線は、人間のさまざまな組織に損傷を与える可能性があります。また、過度の X 線被曝は、腫瘍、造血疾患、白内障、心血管疾患、神経変性疾患を引き起こす可能性があります 14、15、16、17、18。撮影を複数回行うと、必然的に患者と医療従事者の X 線曝露時間が長くなり、医師と患者の両方に対する電離放射線によるダメージも増加します。したがって、2010 年に米国食品医薬品局は、不必要な医療画像への曝露を減らすことを提唱する白書を発行しました3。さらに、X線撮影を繰り返すと手術時間が長くなり、手術による出血、術後感染、血栓症のリスクが高まり、患者に深刻な結果をもたらします1、7、8、9。

患者と医療スタッフの X 線被曝時間を短縮するために、著者のチームは独自に C アームカメラの正確な撮影ロケーターを開発し、実験を使用してさまざまな撮影距離とさまざまな撮影角度でロケーターの撮影効率と精度を検証しました。方法。

Y = 0°の場合、実験グループの平均ショット数、平均総撮影時間、平均初ショット偏差は対照グループよりも有意に小さく、その差は統計的に有意でした（P < 0.001）。 Xが50cmに等しいとき、差は最大でした（P < 0.001）（図2）。 Y = 0°の場合、実験グループの平均総ショット数、平均総撮影時間、および平均初ショット偏差は、X の増加に伴う有意な増加傾向を示さず、その差は統計的に有意ではありませんでした (P > 0.05)。図 3 に示すように、対照群では、平均ショット数、平均総ショット時間、および平均初ショット偏差は有意な増加傾向を示し、その差は統計的に有意でした (P < 0.05)。実験グループの総撮影時間は X = 30 cm で最も短かった。対照群と実験群の平均初弾偏差は射撃距離の増加とともに増加しましたが(P < 0.05)、実験群の平均初射偏差は適格範囲内でした。このうち、X=30cm、Y=0°の場合が最も撮影時間が短く最短となり、撮影偏差を認定した。

対照群と実験群間のショット数、合計撮影時間、および最初のショットの偏差の比較。 (a) X = 10 cm、Y = 0°の場合、(b) X = 30 cm、Y = 0°の場合、(c) X = 50 cm、Y = 0°の場合。

Y = 0°、X = 10 cm、30 cm、50 cm。実験群と対照群間の平均ショット数、平均総撮影時間、平均初ショット偏差の変化傾向。

X = 30 cm、Y を変数とした場合、実験群の平均ショット数、平均総撮影時間、平均初ショット偏差は対照群よりも有意に小さかった。特に、図4に示すように、Y = 45°の場合にその差が最も大きく、統計的に有意でした（P < 0.001）。X = 30 cmの場合、平均撮影枚数、平均総撮影時間には有意な差は見られませんでした。、およびグループ間の Y の増加に伴う実験グループの平均初回偏差 (P > 0.05)。また、対照群の平均ショット数は Y の変化とともに増加しましたが、その差は統計的に有意ではありませんでした (P > 0.05)。さらに、平均ファーストショット偏差は Y の増加とともに増加し、その差は統計的に有意でした (P < 0.05)。総撮影時間の平均はY=30°の場合が最も短かった。実験グループの平均総ショット数は、撮影角度の増加とともにわずかに増加しましたが、その差は統計的に有意ではありませんでした（P > 0.05）。 Y を使用した実験グループにおける平均総撮影時間の変化傾向は統計的に有意ではなく、最大は Y = 30°でした。対照群の平均初回偏差はYの増加とともに増加しました（P < 0.05）。実験グループの平均初回偏差はYの増加に伴う有意な変化傾向はなく、Y = 30で最小でした。 °、図5に示すように。

対照群と実験群間のショット数、合計撮影時間、および最初のショットの偏差の比較。 (a) X = 30 cm、Y = 15°の場合、(b) X = 30 cm、Y = 30°の場合、(c) X = 30 cm、Y = 45°の場合。

X = 30 cm、Y = 15°、30°、45°の場合の、対照群と実験群間の平均ショット数、平均総撮影時間、平均初ショット偏差の傾向の変化。

前述の結果は、撮影高さと角度に関係なく、Cアームマシンオペレーターのショット数、撮影時間、および撮影偏差が実験グループで大幅に減少し、Cアームのさまざまな要件を満たすことを示しました。実際の臨床現場でのアームマシン。医師と患者の両方の放射線被ばく時間を効果的に短縮できる可能性がある。

実験の結果、筆者の研究グループが開発した撮影ロケータ付きCアームカメラには以下の利点があることが確認された。(1) ほぼ1回で正確な撮影が可能である。 (2) 平均総撮影時間は対照群よりも有意に短かった。 (3) 初回ショットの平均偏差は、対照群よりも有意に低かった。これは、ロケーターが C アームマシンのパフォーマンスを向上させることができることを示しました。

同時に、ロケーターを使用しない撮影では、C アームイメージインテンシファイアと撮影距離の増加に伴い、撮影枚数、撮影時間、初写偏差が徐々に増加することも実験によりわかりました。オブジェクト。逆に、ロケーターを使用して撮影した場合、撮影距離が増加しても上記の指標は増加しませんでした。しかし、撮影角度が大きくなると、位置決めレーザー点で囲まれる形状が円から楕円へと徐々に変化し、撮影者が中心点を判断することが難しくなり、被写体の位置決め効果が低下します。特殊な場合には、補助的な使用としてロケーターの中心点の位置決めを追加する必要がありました。著者の研究グループはこの欠陥を補う設計を行い、特許を出願した19。

C アーム装置はさまざまな診療科の手術で広く使用されていますが、実際の用途では撮影精度が十分に高くなく、撮影のずれを減らすために複数回の撮影が必要となり、患者や医療スタッフの過剰な X 線被爆につながります。時間がかかると手術の成功率が低下します。数人の学者は、射撃方法を変更することによって C アームマシンの射撃精度を向上させようとしました。C アームマシンの地面上の「+」位置決め方法は、脊椎手術の時間を効果的に短縮できます 20。大腿転子部手術の効果が比較された結果、会陰柱を参照材料として使用すると、撮影回数が大幅に削減され、患者と医療従事者の X 線被曝時間を効果的に短縮できることが明らかになりました 21。しかしながら、上記の方法は臨床応用できる症例が限られていた。ほとんどの学者は射撃装備を改良して射撃の精度を向上させようとしました。例えば、最近、人工 X 線システムは、撮影をガイドするためにリアルタイムで模擬 X 線透視画像を生成したが、システムの模擬画像ラグの問題により、総撮影時間は十分ではなかったと報告されました。。また、短縮は認められなかった22。別の例は、C アームマシンの低侵襲手術位置決めおよびナビゲーションシステムです。術中のＸ線透視画像によれば、単一のレーザーポイントが生体内標的に対応する皮膚を指すように指示され、これにより生体内標的の体表面の位置決めが達成される２３。ただし、位置決めシステムは高価であり、視点の範囲を妨げます。これは主に、C アームマシンを正確に射撃するためのガイドではなく、身体から異物を除去するためのガイドとして使用されます。さらに、前述の 2 つの射撃器具の改良には、より多くの中間変換リンク、多くの影響要因、および高コストが伴います。

レーザー光は日常生活で広く使用されており、入手が簡単で費用対効果が高いです。したがって、それらはCアームマシンを改善し、それによって射撃精度を向上させるために学者によって使用されてきました24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39 、40。しかしながら、これらには次の２つの点で欠点がある。まず、研究報告書では、物体の「中心点」原理は、単一のレーザー点、または射撃を誘導する複数のレーザー線で形成される十字線によって示されています。この中心点は、通常、ターゲットは人体の骨であり、骨は体表面の軟組織範囲内に位置するため、必要な中心点ではなく、被写体の中心点であることがよくあります。骨の中心点と肉眼で見える物体の中心点との間には、一定の隙間が存在します。解剖学的構造に不慣れな撮影者は、被写体の中心点を撮影対象の中心点と誤って認識し、撮影のズレを引き起こします。被写体の中心点も推定で判断されており、被写体の中心点を明確に示すものはありません。ハリスら。ランダム化前向き臨床研究では、レーザー局在化によってイメージング時間と放射線量が減少しないことが観察されました24。第二に、既存のレーザーロケーターは、次の 2 つの目的を同時に満たすことができません。(1) C アームに継続的かつ効果的に固定すること、(2) さまざまなブランドや仕様の C アームと互換性があること。以前の報告では、偏心位置決めのためにイメージインテンシファイアの端にレーザー光が貼り付けられて固定されていると述べられていました25。また、手術中にイメージインテンシファイアの中心点にレーザーポインターを取り付け、レーザーポインターを用いて撮影範囲である中心点を予測する例もあった26。上記の方法では、次のような問題点があった。 (1) レーザーポインタがしっかりと固定されておらず、重力や衝突によりたわみ、事前位置決めがずれる可能性がある。 (2) レーザーポインターが X 線を遮り、ターゲットの画像が不完全でした。 (3) レーザーポインターは、オペレーターによって滅菌および調整されなければなりません。また、感染のリスクも存在します。 Xu Keweiら27は、Cアームカメラのイメージインテンシファイア側と送信機側に2つのレーザーを設置し、レーザーによって形成される「+」を事前位置決めに使用するレーザーデュアルポジショニングシステムスキームを報告しました。。しかし、その設計には、レーザー光をさまざまなモデルの C アームマシンに効果的に固定する方法については言及されておらず、臨床検証研究も行われていませんでした。最近、Salih ら。特にGEブランドのOEC 9900モデル用にフープロケーターをカスタマイズしました28。 (1) 固定リングの長いアンテナは周囲の物体と衝突しやすく、固定オフセットが発生する。 (2) 電子部品や配線が露出していると故障の原因となりやすく、また外観にも影響を与えます。 (3) ロケータが各種 C アームマシンと互換性がありませんでした。

近年、著者の研究グループは前述の重要な問題を改善し、10件の実用新案特許29、30、31、32、33、34、35、36、37、38と1件の国内発明特許39を取得した。一部の特許はプロトタイプに変換されました。さらに、前述の新しいバージョンのロケーターは少数の病院の一部の C アーム機械と互換性がなかったため、著者のグループは補足としてカスタマイズされたバージョンのロケーターを開発および設計し、中国の実用新案特許を取得しました40。しかし、著者の研究グループが開発したCアームカメラ撮影ロケータには、美観があまり高くなく、人間とコンピュータの相互作用が欠如しているなどの特徴がありました。研究グループは、ロケーターをより完全で実用的なものにするために、さらなるアップグレードと改善を行う予定です。将来的には、人工知能技術の条件下で自動ロケーターを研究し、よりインテリジェントで正確にする予定です。

今回使用したロケーターは、ショット数、撮影時間、ファーストショットのズレを大幅に削減することができます。したがって、医師と患者の両方に対する電離放射線による損傷を最小限に抑え、患者の手術合併症の発生率を減らすことが期待されています。

三門人民病院は、関連する詳細を含めて実験を承認し、すべての実験は関連する指定されたガイドラインと規制に従って実行され、この実験の参加者全員からインフォームドコンセントが得られました。

この研究で使用した C アームマシンのモデルは Brivo OEC 785 (Beijing General Electric Huatuo Medical Equipment Co., Ltd.) でした。自作ロケータを図 6 に示す（台州定創智能科技有限公司）。「C」の字型の半円Aと半円Bの両端をボルトで接続したものです。全体は円形のフープであり、締め付けた後、円筒形のイメージインテンシファイアに固定できます。ロケーターの筐体内には、合計 10 個のレーザーライト、バッテリー、およびリモコン受信機が存在していました。 10 個のレーザー光は等間隔に配置され、10 個のレーザーポイントが円を形成するように放射されます。その効果を図 6a に示します。ロケーターには主電源スイッチ、電力表示器、充電口、リモコン受信機が設けられていました。レーザー光の開閉は、C アームの操作端に配置されたポイントリモコンで制御されました。

(a) 10 本のレーザーラインを発射するイメージインテンシファイアに取り付けられたロケーター。 (b) ロケーターの上面図。 (c) ロケーターの底面図。 (d) ロケーターの側面図。

モニター上の円形の表示範囲の中心点を黒点で表現しました。展示中の鉄釘の展開位置と表示範囲の中心点との距離を測定し、射撃ずれを評価した。距離が小さいほど撮影のずれは小さくなります。両者間の距離が 3 cm の場合、指定された撮影偏差は 3 cm となり、釘が捕捉されなかった場合、登録された撮影偏差はディスプレイの円形の展開範囲の半径 (14.2 cm) になります。この研究では、撮影のずれが3cm以下の場合に撮影を適格とし、中止することとした（研究グループの以前の研究では、撮影のずれが3cm以下の場合に撮影された画像は問題なく撮影できることが判明している）手術の要件を満たしています）。円板の中心点の片側にボルト、反対側にオフセット方向の撮影の基準となるナットを配置しました。表示された画像は物体の位置と一致しており、実際の作業をシミュレートする際に撮影オフセット方向を判断して C アームの位置を調整できます。

ランドマーク警告テープは C アームの初期位置を固定するために地面に貼り付けるために使用され、C アームのイメージ増強管は X 線エミッターの真上に来るように調整されました。イメージインテンシファイアの平面と手術台上の円板の平面との間の角度がＹ°になるように調整した。 Y = 0°のとき、両平面は水平状態でした。イメージインテンシファイア面の中心点から原板面までの垂直距離をＸｃｍとした。 X と Y の値は、ルーチンの術中 X 線撮影で使用される高周波の臨床経験値に従って設定されました。 C アーム機械の長手方向軸 (C アーム機械コンソールは南に位置し、C アームは北に位置しました) は、手術台の長手方向軸 (ベッドの頭は垂直でした) に対して垂直でした。西にあり、ベッドの端は東にありました）。 C アームイメージインテンシファイアの初期位置は、円板の上の北東から 50 cm でした。

この研究で使用した撮影対象は、直径 38 cm の丸い木の板とその中心点に直径 1.5 mm の鉄釘を固定したものです。丸板は手術台の端に平らに置き、台面は水平に保った。ベッドの下には障害物がなかったので、C アーム装置の X 線エミッターが自由に出入りできました。手術台には手術用ドレープが敷かれ、下端は地面から 40 cm 離れて、C アーム装置の X 線放射体を遮断しました。撮影者がCアーム装置のX線照射部の位置によって撮影位置を判断することを防ぐのが目的だ。

レーザー光の設置とデバッグは、次の要件を満たす必要があります。10 個のレーザーポイントで囲まれた円の中心が円板の中心と重なるとき、撮影結果は鉄釘の展開が中心点と重なることになります。モニター上の円形表示範囲のことです。

鉛シールドは手術台の 3 m 南に位置し、東西方向に手術台の側面と平行に配置されました。 Cアームマシンのフットスイッチはスクリーンの西側に設置されました。 Cアームモニターは画面の南東側に設置され、表示画面は西を向いていました。前述の場所には、簡単にホーミングできるようにランドマークがありました (図 7)。

鉛シールド、X線フットスイッチ、モニター、放射線技師席、タイムキーパー席の配置の模式図。

画像診断医は画面の後ろのモニターの前の椅子に座り、いつでも撮影の逸脱を評価するためにモニターに向き合っていました。タイムキーパーはスクリーン後方中央のスツールに座り、鉛ガラス越しに銃撃現場を観察していた。前述の位置は、ホーミングを容易にするために地面にマークされています (図 7)。

カメラマンを対象とした統一研修を実施しました。写真家には、この研究の臨床的意義と実験上の注意事項が説明されました。彼らは実験プロセスに従って射撃操作を実行することができ、射撃偏差に応じてCアームマシンのオフセット方向を判断することができました。

主要病院の術中写真家は通常、専門の放射線技師ではなく、外科医や手術室看護師です。したがって、研究グループが所在する病院の外科システムから合計 60 人の医師と看護師が射撃オペレーターとして無作為に選ばれました。全員が、自作ロケータを備えた C アームと自作ロケータを持たない C アームの 2 種類の機器を操作しました。自作ロケータを備えた C アームマシンを使用して円板の中心点を撮影したグループを実験グループ、ロケータなしの C アームマシンを使用して円板の中心点を撮影したグループを実験グループとした。コントロールグループ。実験群と対照群の撮影モードを図３〜図５に示す。それぞれ8と9。実験グループの 3 つの撮影高さと撮影角度を図 1 と 2 に示します。それぞれ、10、11、および表1を参照してください。

(a) ロケーターを備えた C アームカメラを使用して、円形プレート (X = 30 cm、Y = 0°) を撮影しました。 (b) 表示円板の中心爪が表示中心点に重なっていた。

(a) ロケーターのない C アームカメラは円形プレート (X = 30 cm、Y = 0°) を撮影しました。 (b) 表示円板の中央爪と表示中心点の位置関係。

実験グループの撮影距離 (X) は 3 つ。 (a) X = 10 cm。 (b) X = 30 cm。 (c) X = 50 cm。

実験グループの 3 つの撮影角度 (Y)。 (a) Y = 15°。 (b) Y = 30°。 (c) Y = 45°。

SPSS 25.0 (IBM、ニューヨーク、米国) ソフトウェアを使用して、ショット数、総撮影時間、および最初のショットの偏差を統計的に分析しました。コルモゴロフ – スミルノフ検定は、データが正規分布に従うかどうかをテストするために使用されました。データの正規分布には ANOVA と t 検定が使用され、非正規分布データにはノンパラメトリック検定が使用されました。 3 つの異なる撮影条件を比較するために ANOVA が使用され、2 つの異なる撮影パターンの合計撮影時間を比較するために t 検定が使用され、2 つの異なる撮影パターンのショット数と最初のショットの偏差を比較するためにノンパラメトリックテストが使用されました。 P 値 < 0.05 は、統計的に有意な差を示しました。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、浙江省医学・健康科学技術プログラムプロジェクト：技術成果プロジェクト、第2018PY080号および浙江省台州医学重点規律グループの「台州変性性変形性骨関節症予防・治療コンソーシアム」特別研究基金、第ZDXK202010150027の資金提供を受けました。。

三門人民病院、台州市、317100、浙江省、中国

Jun Yang、Zejun Fang、Peng Jin、Fei Ye

貴州医科大学法医学学校、貴陽、550004、貴州省、中国

リン・ヤン & ジアウェン・ワン

浙江大学医学部第一付属病院、杭州、310000、浙江省、中国

テ・ギョンジョン

浙江省台州病院、台州、317000、浙江省、中国

ホン・ジェンファ

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JY、FY、ZFはCアームカメラ撮影ロケーターの試作と実験を実施した。 JYとLYが原稿を書きました。 FY と JW は実験を計画しました。 FY、JW、ZH が原稿をレビューしました。 TGJ と PJ は統計分析を実行しました。 JW、LY、JY が原稿を提出し、修正しました。

Fei Ye または Jiawen Wang への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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ヤン、J.、ヤン、L.、ジョン、TG 他。 Cアームカメラ撮影ロケータの開発と実験検証。 Sci Rep 12、22222 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-26286-9

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受信日: 2022 年 6 月 21 日

受理日: 2022 年 12 月 13 日

公開日: 2022 年 12 月 23 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26286-9

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